Escaping Compact Object Binaries from Globular Clusters
(2022) ASTK02 20221Lund Observatory - Undergoing reorganization
- Abstract
- Since 2015, the LIGO-Virgo-KAGRA scientific collaboration (LVK) has detected gravitational waves from more than 90 merging compact object binaries using ground-based interferometric detectors. Compact objects orbiting in binary systems emit gravitational waves leading to a loss of energy. This results in the decay of the orbit leading to the merger of these inspiralling objects. Around 83 of the merging compact object binaries that have been detected are binary black holes. A couple of binary neutron star mergers and a handful of BH-NS mergers have also been detected. The exact astrophysical origin of these gravitational wave sources is uncertain. The two main formation channels for these compact object binary systems are isolated... (More)
- Since 2015, the LIGO-Virgo-KAGRA scientific collaboration (LVK) has detected gravitational waves from more than 90 merging compact object binaries using ground-based interferometric detectors. Compact objects orbiting in binary systems emit gravitational waves leading to a loss of energy. This results in the decay of the orbit leading to the merger of these inspiralling objects. Around 83 of the merging compact object binaries that have been detected are binary black holes. A couple of binary neutron star mergers and a handful of BH-NS mergers have also been detected. The exact astrophysical origin of these gravitational wave sources is uncertain. The two main formation channels for these compact object binary systems are isolated evolution of massive stars and dynamical formation in dense star clusters. In this thesis project, we explore the latter scenario and investigate compact object binaries that are produced and ejected from globular clusters. We utilise results from around 280 globular cluster simulations to investigate the properties of escaping compact binaries. We find 8765 escaping binary black holes from the simulated star cluster models. More than 80% of these formed due to dynamical exchange encounters.
We find that 40% of the escaping binary black holes from our simulations will merge within the age of the Universe by emitting gravitational wave radiation. We find that initially denser cluster models are more likely to produce more merging binary black holes. Binary black holes that form in exchange encounters inside globular clusters can have component masses larger than 50 M_⊙. Dynamical exchange encounters can also produce BBHs with low mass ratios (≲ 0.3) that are difficult to produce through binary evolution of massive stars. We also identify about 124 BH-NS systems. About 50% of these will merge within the age of the Universe and only less than 10% of these formed in dynamical exchange encounters. We find that merging BH-NS binaries with mass ratio less than 0.1 are more likely to have formed dynamically. In summary, we find that dense clusters can be efficient factories for producing compact object binaries that will merge due to gravitational wave radiation. However, if the initial density is too high, this can lead to the formation of an IMBH which then inhibits the formation of stellar-mass BBHs. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Stjärnorna som vi ser på natthimlen bor i stjärnhopar med varierande storlek och ålder. De största och äldsta är de så kallade klotformiga stjärnhoparna. Dessa kan innehålla allt från några hundra tusen till flera miljoner stjärnor, varav majoriteten är samlade i en extremt tät kärna i hopens centrum. På grund av den höga densiteten så interagerar dessa stjärnor väldigt frekvent med varandra. Detta gör klotformiga stjärnhopar till de perfekta laboratorierna för att studera det vi kallar den dynamiska evolutionen av astronomiska objekt.
Inom astronomin används ordet dynamik för att beskriva orsakerna till att olika objekt i rymden rör sig. Dynamiska processer styrs av gravitationskraften – en attraktiv kraft som påverkar allt som har... (More) - Stjärnorna som vi ser på natthimlen bor i stjärnhopar med varierande storlek och ålder. De största och äldsta är de så kallade klotformiga stjärnhoparna. Dessa kan innehålla allt från några hundra tusen till flera miljoner stjärnor, varav majoriteten är samlade i en extremt tät kärna i hopens centrum. På grund av den höga densiteten så interagerar dessa stjärnor väldigt frekvent med varandra. Detta gör klotformiga stjärnhopar till de perfekta laboratorierna för att studera det vi kallar den dynamiska evolutionen av astronomiska objekt.
Inom astronomin används ordet dynamik för att beskriva orsakerna till att olika objekt i rymden rör sig. Dynamiska processer styrs av gravitationskraften – en attraktiv kraft som påverkar allt som har massa. Gravitationella interaktioner påverkar stjärnhoparnas struktur genom att tvinga massiva objekt att röra sig mot hopens centrum, och mindre massiva objekt att migrera utåt. Följaktligen är stjärnrester såsom neutronstjärnor och svarta hål väldigt vanliga i hoparnas kärnor. Där kan kompakta binära system i vilka båda komponenterna är neutronstjärnor och/eller svarta hål bildas genom dynamiska interaktioner. Alternativt kan två stjärnor vara bundna till varandra från födseln och sedan bilda binära system av kompakta objekt som en följd av stellär evolution. Två kompakta objekt som kretsar nära varandra i ett binärt system förlorar energi genom att skicka ut gravitationsvågor. Detta resulterar i att omloppsbanan blir mindre och mindre tills de två komponenterna slutligen smälter samman. Sådana händelser är bland de mest energirika i Universum, och ungefär 90 st. har upptäckts sedan 2015 med hjälp av markbaserade detektorer.
Syftet med det här projektet är att studera kompakta binära system som har blivit utkastade från sina stjärnhopar genom dynamiska interaktioner, och som kan vara potentiella källor till gravitationsvågor. Mer specifikt så analyserar vi resultaten av detaljerade simuleringar av klotformiga stjärnhopar som genomförts med en av de mest avancerade och funktionsrika koderna som finns tillgängliga idag. Med hjälp av denna kod kan vi följa evolutionen av våra binära system, samt deras påverkan på stjärnhoparna.
Vi undersöker antal, egenskaper och formationshistoria av utkastade kompakta binära system och hur dessa är relaterade till egenskaperna av sina stjärnhopar. Under projektet identifierar vi tusentals system av binära svarta hål, och strax över hundra binära neutronstjärnor från de simulerade stjärnhoparna. Majoriteten av de binära svarta hålen har bildats genom dynamiska interaktioner. Vidare finner vi att de binära system som bildats i simulerade stjärnhopar med högre densitet har större sannolikhet att smälta samman och avge gravitationsvågor inom Universums ålder. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9090734
- author
- Csomor, Annie LU
- supervisor
-
- Abbas Askar LU
- organization
- course
- ASTK02 20221
- year
- 2022
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- Compact object binaries, binary black holes, BH-NS binaries, escaping binaries, globular clusters, escaping compact object binaries from globular clusters, escaping compact binaries
- report number
- 2022-EXA192
- language
- English
- id
- 9090734
- date added to LUP
- 2022-06-23 11:02:28
- date last changed
- 2022-06-23 11:02:28
@misc{9090734,
abstract = {{Since 2015, the LIGO-Virgo-KAGRA scientific collaboration (LVK) has detected gravitational waves from more than 90 merging compact object binaries using ground-based interferometric detectors. Compact objects orbiting in binary systems emit gravitational waves leading to a loss of energy. This results in the decay of the orbit leading to the merger of these inspiralling objects. Around 83 of the merging compact object binaries that have been detected are binary black holes. A couple of binary neutron star mergers and a handful of BH-NS mergers have also been detected. The exact astrophysical origin of these gravitational wave sources is uncertain. The two main formation channels for these compact object binary systems are isolated evolution of massive stars and dynamical formation in dense star clusters. In this thesis project, we explore the latter scenario and investigate compact object binaries that are produced and ejected from globular clusters. We utilise results from around 280 globular cluster simulations to investigate the properties of escaping compact binaries. We find 8765 escaping binary black holes from the simulated star cluster models. More than 80% of these formed due to dynamical exchange encounters.
We find that 40% of the escaping binary black holes from our simulations will merge within the age of the Universe by emitting gravitational wave radiation. We find that initially denser cluster models are more likely to produce more merging binary black holes. Binary black holes that form in exchange encounters inside globular clusters can have component masses larger than 50 M_⊙. Dynamical exchange encounters can also produce BBHs with low mass ratios (≲ 0.3) that are difficult to produce through binary evolution of massive stars. We also identify about 124 BH-NS systems. About 50% of these will merge within the age of the Universe and only less than 10% of these formed in dynamical exchange encounters. We find that merging BH-NS binaries with mass ratio less than 0.1 are more likely to have formed dynamically. In summary, we find that dense clusters can be efficient factories for producing compact object binaries that will merge due to gravitational wave radiation. However, if the initial density is too high, this can lead to the formation of an IMBH which then inhibits the formation of stellar-mass BBHs.}},
author = {{Csomor, Annie}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Escaping Compact Object Binaries from Globular Clusters}},
year = {{2022}},
}